(6) 産業用途向けインクジェットヘッドの開発（採用機種：GEN3E1 Ink Jet Head）
リコープリンティングシステムズ株式会社

開発センター

DF プロジェクト

主任技師
プロジェクトリーダー
１．背景と目的

Table1

町田外山治
栄一

Specifications of Gen3E1 head.

ソリッドインク方式刷版機への適用を狙った固体インク用インクジェットヘッドであるGen3ヘッドを項目単位仕様

1990年代に開発した。 Gen3ヘッドはインクを加熱溶融方式するためのヒータを搭載しており、 高温での使用に耐ノズル数個96えられるようにインク流路をステンレスで形成し、 まノズルピッチ

inch

1/37.5た、 独自に開発した耐薬品性に優れた接着剤で各部材

平均液滴量pL

40‑60を接着することにより、 固体インク以外の様々な産業最大駆動周波数

kHz20用のインクにも対応が可能という特長を持っている。

平均液滴速度m/s

6‑10

しかしながらGen3ヘッドは384個のノズルの配列がマ対応インク粘度mPa・s

8‑20

トリックス構成であったため、 産業用途に展開する場

対応温度℃

MAX 80合、 ヘッドの配置方法に制約があった。

外形寸法mm

120W×8D×20H

PZTプッシュ型

一方で溶剤インクやＵＶインクなどの特殊インクを用いた印刷や造形等の産業用途分野でのニーズが高ま

2‑2

Gen3E1 ヘッドの構造・構成

り、 最近ではカラーフィルタや配向膜などの液晶製造

Fig.1にヘッド構造の概略を示す。ハウジング内の共プロセスや導電性インクを用いた配線形成技術でも検通インク通路に溜められたインクは各ノズルに対応し討されている。て分離して形成された個別インク流路に導入される。

これらの要求に対応するためにGen3ヘッドの構造を個別インク流路を挟んでノズルと対向した壁は薄い振踏襲し、 かつ、 ノズル配列をリニア構成にすることで動板で形成されており個別インク流路の反対側には圧様々なヘッド配列やユニット構成が可能なGen3E1ヘッ電素子が接着されている。 圧電素子に電圧が印加されドの開発を行った。

ることにより伸長し、 振動板を介して個別流路内に圧力変動を発生させ、 圧力が上昇したときにノズルから２．製品の概要インクが吐出される。

2‑1 Gen3E1 ヘッドの仕様
Table1にGen3E1ヘッドの仕様を示す。 産業用途の場
合、 要求される１滴の液滴量は数pL〜数十pLで適用先により異なる。 全ての液滴量を１種類のヘッドで吐出させることは難しいため、 Gen3E1ヘッドは比較的大きな液滴サイズである40〜60pLをターゲットとしている。 またこれ以下の液滴サイズのニーズに対しては、現在ではヘッドをシリーズ化し、必要な液滴量に対応してヘッドを選択できるようにしている。

-1-

ｺﾈｸﾀ部
共通インク流路
ﾍｯﾄﾞｶﾊﾞｰ

FPC
振動板

65mm

ﾍｯﾄﾞ部

ノズル
Figure 2 Picture of Gen3E1 Head.

圧電素子
個別インク流路

液滴３．技術の特徴
Fig.1

3‑1 ノズルの撥インク処理技術

Structure of Gen3E1 head.

産業用途では通常のプリンタで使用される水性インクのみならず油性インクやＵＶインク、 さらに各種の本ヘッドの方式・構造の特徴の一つは、 圧力発生素子である圧電素子がインクに直接触れていない点である。 このため、 溶剤系インクや極性インクさらにＵＶ硬化タイプのインク等、 様々なインクへの対応が可能である。 さらにオプションでヘッドへのヒータの取り付けが可能であり室温では40mPa・s程度の高粘度の溶液
でもTable1の対応インク粘度範囲になるようにヘッドを加熱し、 インクの温度調節をすることで吐出が可能である。またインク流路は0.1ｍｍ程度のステンレス板を積層して複雑なインク流路を形成しており各ステンレス板を接着している接着剤も、 Gen3と同様、 耐高温かつ耐薬品性を保つために特殊なエポキシ性接着剤を採用している。 本ヘッドの特徴を下記する。またFig.2にヘッドの外観写真を示す。

機能性インクの吐出が考えられる。 一般的なインクジェットヘッドのノズル面はインクによる濡れを防止するために撥インク処理が施してある。 これは、 ノズル近傍に濡れが発生すると、 吐出したインクが濡れた部分に引き寄せられて吐出方向が曲がる現象を防止するためである。 さらにこの撥インク処理膜はノズル面のインクを拭き取るワイピングに耐え得る耐擦性が必要である。 水性インクに対しては耐擦性や製法が安易であることから、フッ素含有の共析メッキが使用されることが多い。 しかし共析メッキ面は油性インクやＵＶインクに対しては逆に親水性を示すため使用できない。
そこで顧客の使用インクごとにヘッドを部分的にカスタマイズしているが、 撥インク処理もその一つである。 厚さ数十nm程度のフッ素系単分子膜と厚さ1μm程度1.オールステンレス製の流路構成で耐食性に優れる。
2.積層圧電素子の採用により高周波領域まで安定した吐出が可能である。のフッ素系樹脂膜をそれぞれ単独あるいは複合膜として用いている。 またインクに対する耐擦性に関しては上記
撥インク処理時のノズル面の前処理によって大きく異な3.圧電素子とインクが隔離された構造であるため,ることから各インクに対して前処理条件の最適化を実施

多種多様なインクに対応が可能である。

している。 Fig.3にノズル面の前処理法と撥インク処理剤の選択できる組み合わせを示す。

-2-3‑2 産業用途への適用例
ノズル面前処理法

3‑2‑1

表面処理剤

三次元造型機への適用

インクジェットヘッドを用いた三次元造型機は、プラズマ処理フッ素系単分子膜

従来のレーザを用いた三次元造型機と比較して、 安価で高速に製作可能な装置である。 ２種類のＵＶインクを用い、 硬化材とサポート材を同時に積み上げフッ素系樹脂膜ｳｪｯﾄｴｯﾁﾝｸﾞ処理て、 最後にサポート材を除去することにより今まで不可能だった中空部のある造形品の一括製作が可能

インクにあわせて組み合わせを選択である。 Fig.5にインクジェット方式による三次元造形法の原理を示す。
Fig.3 Combination of the surface treatment.

前処理の効果を示す例として、 Fig.4にUVインクに対硬化材 ｻﾎﾟｰﾄ材用ﾍｯﾄﾞ 用ﾍｯﾄﾞするノズル面の摺動試験による接触角の変化を示す。
前処理としてプラズマ処理を最適条件で施し、 そのｻﾎﾟｰﾄ材UVﾗﾝﾌﾟ

後フッ素系樹脂膜とフッ素系単分子膜の複合膜を形成した。 ヘッド表面をＵＶインクを湿らせたクリーニングペ

硬化材ーパに荷重100g/cm2を加えながら一定回数摺動させた後の接触角を測定した。 前処理を施さない場合には摺動回数1000回以下でインクに対する接触角がノズル面の濡れｻﾎﾟｰﾄ材除去の影響が出る目安の50°以下に低下するが, 最適条件でプラズマ処理を施すことにより摺動回数5000回後においても接触角が50°以上を維持していることが分かる。

Fig.5 Method of 3-D modeling.
接触角 (°)

7060

Fig.6に示すObjet Geometries社製Eden330にはGen3E1

50

前処理あり

40

ヘッドが硬化材用とサポート材用に各4ヘッド搭載している。 ヘッドにはヒータが取付けられており、 80℃に前処理なし

30加熱することにより室温では高粘度のＵＶ硬化型ポリマ

0100020003000
摺動回数(回）

40005000ーを吐出可能としている。

Fig.4 Contact angle of the nozzle surface.

このように顧客インクに合わせた表面処理を最適化することにより幅広いインクへの対応が可能となり、加えて各インクに対する信頼性が向上している。
今までにＵＶインクのほかに水性、 油性及び溶剤系のインク、 さらには導電インクやレジスト等の機能性インクの一部に対して、本撥インク処理の効果を確認してFig.6 Eden330 Rapid prototyping systems.
(Objet Geometries Ltd.)

いる。

-3-

3‑2‑2

ワイドフォーマットプリンタへの適用

Table3 Industrial application of IJ method.

ワイドフォーマット(WF)プリンタはIJヘッドが最も適用されている分野であり数社にGen3E1ヘッドを供給し分野項目ている。 印刷幅は最大で2.5m程度、 搭載ヘッド数も最LCD(液晶)大で150ヘッドの装置がある。
WFプリンタの対象とする印刷物はビルボードや看内容

インク

配向膜

配向膜材料

ｶﾗｰﾌｨﾙﾀ着色ﾚｼﾞｽﾄ

ﾋﾞｰｽﾞｽﾍﾟｰｻ

微粒子分散ｲﾝｸ発光材

アは紙のみではなくビニールに印刷して化学反応で定着ﾎｰﾙ注入層させるケースもある。 そのためインクは溶剤系が多く,TFT

有機EL材
PEDOT
(導電性ｲﾝｸ)
有機半導体材料

絶縁膜

樹脂ｲﾝｸ

電極

導電性ｲﾝｸ配線

導電性ｲﾝｸ

ﾚｼﾞｽﾄ

ﾚｼﾞｽﾄ樹脂

絶縁膜

層間絶縁樹脂ｲﾝｸ

有機半導体

半導体

有機半導体材料

部品

抵抗体

ｾﾗﾐｯｸ分散ｲﾝｸ

3D造型機

3Dモデル

UV樹脂板といった屋外で使用される場合が多いため印刷メディﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ OLED(有機EL)

共通

一般のIJヘッドでは樹脂部分や接着剤の溶出が問題となるため、 耐薬品性に優れたGen3E1ヘッドが採用されている。

配線ﾊﾟﾀｰﾝFig.7 に Gen3E1 ヘッドを 16 個搭載し、最大幅で 184cmの印刷が可能な Color Span 社製の WF プリンタを示す。

回路基板

3D造形

これらの分野に関しては,紙等への印刷と比較して印刷（塗布）物が各々の機能仕様を満たす必要があるため、塗布量や塗布位置に高い精度が要求される。 従ってIJヘッドの液滴重量や直進性等の更なる高性能化が要求さ
Fig.7 DisplayMaker 72s WF printer.

れる。

(HP ColorSpan Inc.)

これらのニーズに対応するために、 現行のPZTプッシ
ュ式ステンレス構造を継承した次期産業用IJヘッドの開発を進めていく。

４．今後の展開
現在、 Gen3E1ヘッドはWFプリンタや三次元造型機向けを中心に供給している。 今後の産業用途でのIJ応用は、紙等のメディアへの印刷以外の機能性インクを用いた各種の工業用製造装置としてのニーズが高まると予想される。 Table 3に今後予想される産業用途のIJ応用分野を示す。

-4-

禁無断転載2007 年度
ビジネス機器関連技術調査報告書(
発行

Ⅲ―３部)

社団法人 ビジネス機械・情報システム産業協会
技術委員会 技術調査小委員会〒105‑0003

東京都港区西新橋 3‑25‑33
NP 御成門ビル 4F
電話 03‑5472‑1101
FAX-5-

03‑5472‑2511